ПЛАНАРНЫЕ ТИОЛ-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СЕНСОРНЫЕ

174
ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2014. Т. 55. № 3
УДК 543.553
ПЛАНАРНЫЕ ТИОЛ-ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЕ СЕНСОРНЫЕ
ЭЛЕМЕНТЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ АКТИВНОСТИ
БУТИРИЛХОЛИНЭСТЕРАЗЫ И АНАЛИЗА
ЕЕ ИНГИБИТОРОВ
Еременко А.В.1*, Прокопкина Т.А.2, Касаткин В.Э.3, Осипова Т.А.2, Курочкин И.Н.2
(1Институт биохимической физики им. Н.М. Эмануэля РАН; 2Химический факультет
Московского государственного университет имени М.В. Ломоносова; 3Институт
физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН; *e-mail: [email protected])
Предложен способ проведения анализа тиохолина, активности фермента бутирилхолинэстеразы (БХЭ) и ее ингибиторов с помощью разработанных тиол-чувствительных комбинированных планарных сенсоров. Чувствительность сенсоров к тиохолину обеспечивается медиаторным слоем диоксида марганца, сформированным на рабочем углеродном
электроде. Предел обнаружения для БХЭ и ее ингибитора диазинона составил 1·10–10 М и
1·10–9 М соответственно. Разработанный подход значительно упрощает проведение анализа ингибиторов и может использоваться для контроля качества воды и экологического
мониторинга.
Ключевые слова: диоксид марганца, планарные сенсоры, бутирилхолинэстераза, ингибитор.
Ферменты класса холинэстераз (ХЭ) широко используются при разработке различных биосенсорных
устройств в целях высокочувствительного и селективного мониторинга токсичности в экологических
исследованиях, сельском хозяйстве, пищевой промышленности, для военного и медико-биологического применения [1]. Эти устройства основаны на
ингибировании ХЭ нейротоксинами, такими как фосфорорганические соединения и карбаматы. Основная
мотивация разработки таких биосенсоров – поиск
надежной альтернативы инструментальным методам, используемым в аналитических лабораториях.
Следует отметить, что эти методы, являясь мощным
инструментом мониторинга токсичных фосфорорганических и карбаматных пестицидов, обладают рядом существенных недостатков, такими как высокая
стоимость оборудования, трудоемкость и продолжительность подготовки анализа, а следовательно, невозможность проведения анализа в режиме реального
времени, а также высокие требования к квалификации персонала. Кроме того, они не в состоянии предоставить какую-либо информацию о потенциальной
токсичности образца.
Биосенсорные устройства позволяют определять
не только присутствие и количество отдельных химических соединений, но и вызванные ими биологические эффекты [2], например нейротоксичность, т.е.
получать дополнительную информацию, которая в
некоторых случаях является более значимой, чем хи-
мический состав анализируемого образца. В связи с
этим в настоящее время особое внимание уделяется
биоаналитическим системам, основанным на ингибировании ферментов, которые разрабатываются для
оценки нейротоксичных пестицидов (фосфорорганические и карбаматные) ингибиторов холинэстераз
[3]. Наиболее перспективными и чувствительными
методами регистрации данных соединений являются
электрохимические сенсоры, основанные на анализе
тиохолина – продукта ферментативного гидролиза. В
целях повышения чувствительности поверхность таких сенсоров подвергают модификации различными
медиаторами – веществами, способными к циклическому окислению-востановлению на электроде. К таким медиаторам относятся многие соединения переходных металлов (оксиды меди, марганца и кобальта), комплексные соединения (гексацианоферраты,
фталоцианины и т.д.).
В последнее время диоксид марганца стали использовать в качестве катализатора для окисления
серосодержащих органических соединений, в частности, для решения экологических проблем [4]. В то
время как другие катализаторы, представляющие собой оксиды металлов, легко отравляются серой, диоксид марганца показал хорошую стабильность [5].
Проведенное нами ранее сравнительное исследование разных кристаллических модификаций диоксида
марганца для электрохимического определения тиолов показало, что наибольшей каталитической ак-
ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2014. Т. 55. № 3
тивностью обладают электроды, модифицированные
γ-MnO2 [6]. Низкий предел обнаружения тиохолина
(60 нМ), полученного с использованием планарных
электродов, модифицированных γ-MnO2, позволил
разработать высокочувствительный анализ БХЭ и ее
ингибитора диазинона [6]. Способ проведения анализа заключается в определении активности БХЭ в
кинетическом режиме путем измерения начальной
скорости накопления тиохолина в процессе ферментативного гидролиза пропионилтиохолина в электрохимической ячейке с перемешиванием. В данном
формате проводился также анализ ингибиторов фермента.
В данной работе мы исследовали новый способ
измерения тиосоединений, активности фермента
БХЭ и анализа ее ингибиторов с помощью комбинированных сенсоров, содержащих на одной подложке
модифицированный диоксидом марганца углеродный рабочий электрод, хлоридсеребряный электрод
сравнения и платиновый вспомогательный электрод.
Измерения проводили путем анализа хроноамперометрических кривых при стационарном потенциале.
Материалы и методы
Реагенты. В работе использованы следующие
реактивы: бутирилхолинэстераза из плазмы лошади (БХЭ, ЕС 3.1.1.8), активность 264 U/мг, бычий
сывороточный альбумин (БСА), бутирилтиохолин
хлорид, 5,5´-дитиобис-2-нитробензойная кислота
(ДТНБ), буфер HEPES фирмы «Sigma»; перманганат
калия KMnO4, четырехводный ацетат марганца (II)
Mn(Ac)2·4H2O, бром, калия хлорид, калия бромид
–2
фирмы «Merck», диазинон (1·10 M раствор в изопропаноле). Все водные растворы готовили с использованием деионизованной воды, полученной системой очистки воды «MilliQ» (удельное сопротивление
18,2 МΩ∙см).
Модификация электродов диоксидом марганца.
Золи диоксида марганца получали смешением разбавленных водных растворов перманганата калия и
ацетата марганца, как описано в работах [5, 6]. На
поверхность рабочего электрода (рабочий электрод
изготовлен из углерода, электрод сравнения – из хлорида серебра, вспомогательный – из платины), предоставленного фирмой «BTV» (Чешская республика),
наносили каплю свежеприготовленного раствора диоксида марганца объемом 2 мкл, электрод высушивали на воздухе при комнатной температуре. Процедуру
повторяли, затем электрод промывали бидистиллированной водой и после удаления излишков воды проo
гревали в течение 1 ч при 60 C в термостате.
175
Линейную вольтамперограмму модифицированных диоксидом марганца сенсоров регистрировали в
интервале потенциалов от 300 до 800 мВ при скорости развертки, равной 20 мВ/с. Все электрохимические измерения проводили в 50 мМ буфере (Hepes с
30 мМ KCl, pH 7,5) с помощью потенциостата «IPCCompact» («Кронас», Россия).
Анализ тиохолина. Тиохолин получали в ходе
ферментативного гидролиза бутирилтиохолин хлорида (БТХ) по методике, описанной в [6]. Для этого 22,6 мг БТХ растворяли в 600 мкл 50 мМ буфера
(Hepes, 30 мM KCl, pH 7,5), добавляли 400 мкл раствора БХЭ (1 мг/мл) в том же буфере, смесь инкубировали в течение 1 ч.
Для определения концентрации тиохолина в полученном запасном растворе использовали метод Эллмана. Раствор тиохолина разводили в 400 раз 50 мМ
буфером (Hepes, 30 мM KCl, pH 7,5) и 100 мкл вносили в лунку плашечного спектрофотометра «Reader
HT1» («Anthos», Австрия), добавляли 100 мкл раствора ДТНБ (6 мМ) и измеряли оптическую плотность
при 405 нм [6]. Амперометрические измерения тиохолина с помощью комбинированных сенсоров проводили без перемешивания в ячейке объемом 1 мл, куда
помещали 990 мкл буферного раствора (50 мМ HEPES,
30 мМ KCl, pH 7,5), подавали потенциал 600 мВ, после выхода базовой линии вводили в ячейку аликвоту анализируемого раствора и фиксировали изменение тока через 80 с. За изменениями величины тока
следили при помощи управляемого компьютером
потенциостат-гальваностата «IPC-Compact» («Кронас», Россия).
Измерение активности БХЭ в режиме наработки продукта. Регистрацию отклика на тиохолин,
полученный в ходе ферментативной реакции, осуществляли в режиме наработки продукта. Измерение
проводили в электрохимической ячейке, описанной
выше. Раствор субстрата готовили разведением навески бутирилтиохолин хлорида в воде. Концентрация запасного раствора составляла 21 мМ. Раствор
фермента готовили последовательным разведением
раствора (1мг/мл) с использованием буфера HEPES с
добавлением БСА (1 мг/мл).
В ячейку объемом 1 мл вводили 900 мкл буфера
HEPES с добавлением БСА (1 мг/мл) и 100 мкл раствора фермента необходимой концентрации. Через
10 мин 900 мкл данной смеси переносилось в ячейку с 45 мкл раствора субстрата. Реакцию инкубации
проводили в течение 10 мин. Отклик регистрировали
через 80 с после подачи потенциала. После каждого
измерения тиохолина проводили предварительные
176
ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2014. Т. 55. № 3
измерения отклика на раствор субстрата для нормировки активности электрода и оценки спонтанного
гидролиза бутирилтиохолина. За изменениями величины тока следили с помощью специально написанной компьютерной программы для потенциостата
«IPC-Micro».
Электрохимический анализ ингибиторов холинэстераз. Для проведения электрохимического
анализа ингибиторов холинэстеразной активности
использовали планарные электроды фирмы «BVT»
(Чешская Республика). В пробирку объемом 1 мл
вводили 700 мкл буфера HEPES с добавлением БСА
(1 мг/мл), 200 мкл раствора фермента с концентра–9
цией 5·10 М (концентрация фермента в ячейке со–9
ставляла 1·10 М) и 100 мкл раствора ингибитора
необходимой концентрации. Через 10 мин 900 мкл
данной смеси переносилось в пробирку с 45 мкл раствора субстрата. Инкубацию с субстратом проводили
в течение 10 мин (в этом интервале ферментативная
реакция гидролиза имеет линейную зависимость от
времени). После этого электрод переносили в пробирку и через 80 с регистрировали величину тока.
Раствор ингибитора готовили последовательным раз–2
ведением 1·10 M растворов в изопропаноле 50 мМ
буфером HEPES (pH 7,5), содержащим 30 мМ KCl. Ингибитор диазинон (ДЗ) предварительно переводили в
оксонную форму, более эффективно взаимодействующую с ферментом, окисляя его бромной водой.
Для приготовления бромной воды к 0,5 М водному
раствору бромида калия добавляли жидкий бром
из расчета 8 мкл брома на 25 мл раствора KBr,
смесь интенсивно встряхивали до получения гомогенного раствора. Для окисления использовали
–5
растворы 10 M ингибитора в буфере HEPES, которые смешивали с бромной водой в соотношении
1:1, встряхивали и выдерживали 3 мин, затем разбавляли буфером до нужной концентрации.
Результаты и их обсуждение
Выбор рабочего потенциала и способа измерения тиохолина. На рис. 1 представлена схема ампе-
рометрического определения тиохолина с помощью
планарных сенсоров, модифицированных диоксидом
марганца. Аналитический отклик сенсора формируется за счет восстановления Mn(IV) до Mn(II/III) на
рабочем электроде в присутствии тиохолина с последующим электрохимическим окислением медиатора
до Mn(IV) при положительном потенциале.
Для выбора рабочего потенциала были исследованы вольтамперные характеристики электродов,
модифицированных диоксидом марганца. На рис. 2
представлена разностная линейная вольтамперограм–3
ма для концентрации тиохолина 1·10 М. При потенциалах выше 480 мВ наблюдается резкое увеличение
тока сенсора, что указывает на проявление медиаторных свойств диоксида марганца в присутствии тиохолина. Для дальнейшей работы был выбран потенциал
600 мВ, при котором наблюдается близкий к максимальному амперометрический сигнал.
В целях упрощения процедуры проведения анализа мы рассматривали вариант электрохимического измерения тиохолина, при котором тиол-чувствительный сенсор, состоящий из трех электродов, погружался в анализируемую пробу, затем подавался
потенциал (600 мВ относительно Ag/AgCl электрода
сравнения) и фиксировались хроноамперометрические кривые. Простейшей физико-химической моделью, описывающей происходящие в данном случае
процессы, является модель убывающего во времени
диффузионного тока при постоянном потенциале.
Согласно этой модели, зависимость величины тока (i)
от времени подчиняется уравнению Коттрелла:
где n – количество электронов, участвующих в элементарном акте окисления/восстановления, F – постоянная Фарадея 96485 К/моль, А – площадь рабо2
чей поверхности (см ), С0 – начальная концентрация
3
электроактивного вещества (моль/см ), D – коэффици2
ент диффузии (см /с), t – время (с). Согласно данному
уравнению ток, взятый в определенный момент време-
Рис. 1. Схема амперометрического анализа тиохолина на планарном углеродном электроде, модифицированном MnO2
177
ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2014. Т. 55. № 3
Pис. 2. Разностная линейная вольтамограмма, полученная для сенсора, модифицированного MnO2, при
концентрации тиохолина 1·10-3 М в буфере 50 мМ
HEPES, 30 мМ KCl, pH 7,5; cкорость сканирования
20 мВ/с
ни после подачи потенциала на электрод, будет прямо
пропорционален концентрации электроактивного вещества в растворе, т.е. в нашем случае тиохолина.
Характерный вид хроноамперометрических кривых (i – t) для разных концентраций тиохолина представлен на рис. 3, А, где видно, что величина тока
растет с повышением концентрации тиохолина. Те
–1/2
же данные в координатах i – t (в диапазоне 20–100
с) представлены на рис. 3, Б. Выбор именно такого
временнóго диапазона продиктован, с одной стороны, минимизаций времени измерения, а с другой –
тем, что некоторое время после подачи потенциала
в суммарную величину тока вносит большой вклад
не только диффузионный, но и емкостной ток, что
приводит к значительному отклонению от уравнения
Коттрелла. Линейность данной зависимости тока от
–1/2
t в данном диапазоне (рис. 3, Б) позволяет выбрать
любое удобное для проведения анализа время. При
этом величина тока будет являться аналитическим
сигналом.
Аналитические характеристики электродов,
анализ активности БХЭ и диазинона. Аналитические параметры электродов оценивались на основании полученной градуировочной зависимости тока от
концентрации тиохолина при фиксированном времени
80 секунд. Данное значение времени было выбрано на
–1/2
линейном участке зависимости i – t (рис. 3, Б). Основные аналитические характеристики тиол-чувствительных электродов при измерении тиохолина представлены в таблице. Полученные аналитические характеристики, а именно линейный диапазон, предел
обнаружения, чувствительность, а также операционная стабильность (изменение отклика за одно измерение), тиол-чувствительных сенсоров позволяют
с необходимой чувствительностью определять тиохолин. В дальнейших экспериментах такие сенсоры
были использованы для определения активности
фермента БХЭ и проведения анализа ингибиторов
этого фермента.
Анализ активности БХЭ проводили в описанном режиме наработки продукта. На рис. 4 представлена градуировочная зависимость отклика сенсоров от концентрации БХЭ. Изученный диапазон
–10
–9
концентраций фермента составлял 1·10 –1·10 М.
2
Зависимость имеет линейный характер (R = 0,998),
рассчитанный предел обнаружения для фермента
–10
составляет 1·10 М. Чувствительность электро2
дов (1040 нА/М·см ) позволила использовать их для
Рис. 3. Зависимость диффузионного тока (А) от времени (t) для разных концентраций тиохолина, мкМ (1 – 10,
2 – 30, 3 – 60, 4 – 100, 5 – 150, 6 – 200); зависимость тока от t-1/2 в диапазоне 20–100 с (Б)
178
ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2014. Т. 55. № 3
Аналитические характеристики тиол-чувствительных
сенсоров
Линейный диапазон (М)
5·10-6 – 2·10-4
Предел обнаружения (М)
1·10-5
Чувствительность (мкA/M·cм2)
1650
Изменение отклика за одно измерение
(%)
1
анализа необратимого ингибитора БХЭ. В настоящей
работе рассматривался только вариант необратимого
ингибирования, а модельным ингибитором БХЭ был
выбран фосфорорганический пестицид диазинон.
Концентрацию диазинона определяли по степени
уменьшения начальной скорости ферментативной реакции гидролиза бутирилтиохолина после предварительной инкубации БХЭ с пробой, содержащей ингибитор, в течение фиксированного времени [6]. В этом
случае использовали отношение начальной скорости
ферментативной реакции (E) после предварительной
инкубации с ингибитором к начальной скорости ферментативной реакции, измеренной без ингибитора
(E0). Линейную зависимость между концентрацией
инг
ингибитора С0 и логарифмом относительной ферментативной активности ln(E/E0) представляется следующим уравнением:
инг
Рис. 4. Зависимость отклика сенсоров от концентрации БХЭ
инг
Ln([E]/[E]0) = k С0 τ.
Наклон этой зависимости связан с чувствительностью определения необратимого ингибитора, которая зависит от величины константы скорости ингиинг
бирования k , а также от длительности инкубации
фермента с ингибитором (τ) [7]. В экспериментах по
ингибированию использовали концентрацию БХЭ
–10
5·10 М, а время инкубации с разными концентрациями диазинона составляло 10 мин. Данные по
определению диазинона с использованием фермента
БХЭ и тиол-чувствительных сенсоров представлены
на рис. 5 в полулогарифмических координатах. Достоверно определяемая степень ингибирования БХЭ
диазиноном, рассчитанная из погрешности определения фермента без ингибитора (E0), составила 15%,
что позволило оценить предел обнаружения по диа–9
зинону, который составил 1·10 М. Близкий предел
обнаружения для диазинона был получен при проведении измерений в кинетическом режиме с перемешиванием [6]. Однако данный способ проведения
анализа более трудоемкий по сравнению с предложенным в данной работе и требует дополнительного
Рис. 5. Зависимость ln(Е/Е0) от концентрации ингибитора диазинона в инкубационной смеси
оборудования. Следует отметить, что разработанные
планарные сенсоры с медиаторным слоем диоксида
марганца могут многократно использоваться (как
минимум 10 раз) для анализа ингибиторов БХЭ без
значимого изменения чувствительности.
Таким образом, в данной работе продемонстрирована возможность использования комбинированных
планарных электродов, модифицированных диоксидом марганца в качестве электрохимического медиатора для определения тиохолина, активности бутирилхолинэстеразы и высокочувствительного анализа
ее ингибиторов. Разработанный способ измерения
значительно упрощает проведение анализа ингибиторов и может найти применение в области контроля
качества воды и экологического мониторинга.
Работа была выполнена при поддержке РФФИ (проект № 13-08-01078 А).
179
ВЕСТН. МОСК. УН-ТА. СЕР. 2. ХИМИЯ. 2014. Т. 55. № 3
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Andreescu S., Marty J-L. // Biomol. Engineer. 2006. 23. P. 1.
2. Lee J.H., Mitchell R.J., Kim B.C., Cullen D.C., Gu M.B. //
Biosens. Bioelectron. 2005. 21. P. 500.
3. Rodriguez-Mozaz S., Lopez de Alda M.J., Barceló D. // Anal.
Bioanal. Chem. 2006. 386. P. 1025.
4. Dong J., Zhang L., Liu H, Liu Ch., Gao Yu., Sun L. // Fresenius Environ. Bull. 2010. 19. P. 1615.
5. Dontsova E.A., Zeifman Y.S., Budashov I.A., Eremenko A.V.,
Kalnov S.L., Kurochkin I. N. // Sens. Actuat. B: Chem. 2011.
159. P. 261.
6. Eremenko A. V., Dontsova E. A., Nazarov A. P., Evtushenko E.
G., Amitonov S. V., Savilov S. V., Martynova L. F., Lunin V. V.,
Kurochkin I. N. // Electroanal. 2012. 24. P. 573.
7. Еремеев Н.Л., Курочкин И.Н., Еременко А.В., Варфоломеев
С.Д., Райнина Е.И. // Вестн. Моск. Ун-та. Сер. 2. Химия.
2002. 43. С. 412.
Поступила в редакцию 30.01.14
SCREEN-PRINTED THIOL-SESNSITIVE SENSOR ELEMENTS
FOR DETERMINING THE ACTIVITY OF BUTYRYLCHOLINESTERASE
AND ANALYSIS OF ITS INHIBITORS
A.V. Eremenko1*, T.A. Prokopkina2, V.E. Kasatkin3, T.A. Osipova2, I.N. Kurochkin2
1
2
( N.M. Emanuel Institute of Biochemical Physics of RAS, Faculty of Chemistry of M.V. Lomonosov Moscow State University, 3A.N.Frumkin Institute of Physical Chemistry and Electrochemistry
of RAS; *e-mail: [email protected])
A method for analyzing thiocholine, enzyme activity of butyrylcholinesterase (BChE) and their
inhibitors using thiol-sensitive planar sensors has been proposed. Sensor sensitivity to thiocholine
is provided by mediator layer of manganese dioxide formed on the working carbon electrode. The
-10
-9
detection limit for BChE and its inhibitor diazinon was 1·10 М и 1·10 М, respectively. The
developed approach simplifies the analysis of inhibitors and can be used to water quality control
and environmental monitoring.
Key words: manganese dioxide, planar sensors, butyrylcholinesterase, inhibitor.
Сведения об авторах: Еременко Аркадий Вениаминович – вед. науч. сотр. Института биохимической
физики им. Н.М. Эмануэля РАН, канд. биол. наук ([email protected]); Прокопкина Таисия
Александровна – студентка химического факультета Московского государственного университета
имени М.В. Ломоносова ([email protected]); Касаткин Вадим Эдуардович – ст. науч.
сотр., руководитель отдела разработки средств автоматизации и электронных приборов Института
физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН, канд. хим. наук (vadim_kasatkin@mail.
ru); Осипова Татьяна Алексеевна – ст. науч. сотр. кафедры химической энзимологии химического
факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, канд. хим. наук
( [email protected] ); Курочкин Илья Николаевич – профессор кафедры химической энзимологии
химического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова, докт.
хим. наук ([email protected]).